高抗沖擊綠色水泥混凝土設(shè)計(jì)方案研究

汪浩 張景怡

摘要：以提升水泥混凝土抗沖擊性能為目的，通過(guò)改善組分作用機(jī)理分析，選擇固體廢棄物（瀝青路面再生骨料）制備“綠色”水泥混凝土?；谒嗷炷粱A(chǔ)配合比，采用40%、60%、80%和100%摻量瀝青路面再生骨料等質(zhì)量代替碎石進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，提出高抗沖擊的“綠色”水泥混凝土的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵字：水泥混凝土;再生骨料;抗沖擊性能;試驗(yàn)設(shè)計(jì)

0 引言

水泥混凝土材料目前廣泛應(yīng)用于城市建筑、道路、橋梁等，具有強(qiáng)度高、剛性大的特點(diǎn)。對(duì)使用期水泥混凝土構(gòu)件荷載作用分析發(fā)現(xiàn)，在其服役期內(nèi)不僅受到靜力荷載作用，還會(huì)受到頻繁或偶發(fā)的沖擊動(dòng)載作用。根據(jù)水泥混凝土應(yīng)用的場(chǎng)景不同，包括交通車(chē)輛行駛、飛機(jī)起飛及降落、海浪沖擊等各種沖擊動(dòng)荷載，這些沖擊荷載由于其偶發(fā)性，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)給予考慮。傳統(tǒng)水泥基混凝土材料由碎石、砂、水泥、水按一定配比組成，其結(jié)構(gòu)內(nèi)存在少量微觀缺陷，在沖擊荷載作用下，混凝土的原始缺陷和有限的變形能力導(dǎo)致微裂縫的快速擴(kuò)展貫通，從而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)迅速破壞，造成嚴(yán)重后果[1～2]。因此，在傳統(tǒng)水泥基材料中摻配非傳統(tǒng)組分來(lái)改善水泥混凝土服役期間的結(jié)構(gòu)抗沖擊性能值得深入研究，研究通過(guò)對(duì)沖擊性能試驗(yàn)、沖擊性能改善組分選擇，進(jìn)行抗沖擊性能綠色水泥混凝土設(shè)計(jì)方案研究。

1 沖擊性能試驗(yàn)方法選擇

沖擊性能是指水泥混凝土在承受沖擊荷載作用下，材料內(nèi)部吸收動(dòng)能的能力。沖擊性能作為評(píng)價(jià)水泥混凝土動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的重要指標(biāo)之一，其沖擊性能試驗(yàn)方法、評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇是非常必要的。目前常采用的沖擊性能試驗(yàn)方法包括：分離式霍普金森壓桿法、落錘沖擊試驗(yàn)、射彈沖擊試驗(yàn)、夏比擺錘沖擊試驗(yàn)、爆炸沖擊試驗(yàn)等。

1.1 分離式霍普金森壓桿法

分離式霍普金森壓桿法（The Split Hopkinson Pressure Bar，簡(jiǎn)稱(chēng)SHPB）是由早期霍普金森壓桿技術(shù)發(fā)展而來(lái)的，該方法利用壓桿技術(shù)測(cè)量材料動(dòng)態(tài)性能，在高應(yīng)變率下測(cè)試其性能，并建立應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系。SHPB試驗(yàn)以一維彈性應(yīng)力波理論作為理論基礎(chǔ)，以一維應(yīng)力波假設(shè)和均勻性假設(shè)兩個(gè)基本假設(shè)為前提，根據(jù)不同試驗(yàn)?zāi)康?，將試?yàn)方法進(jìn)行改裝以滿(mǎn)足需求。

1.2 夏比擺錘沖擊法

這種測(cè)試抗沖擊性能的試驗(yàn)方法來(lái)自于對(duì)金屬材料的測(cè)試，通過(guò)能量守恒，使擺錘在不同高度上下落，測(cè)試其沖擊性能。儀器組成包括機(jī)架、擺錘、操縱機(jī)構(gòu)和電控系統(tǒng)等組成，由于這種測(cè)試方法容易受到諧波和尺寸影響，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果差異性較大，采用這種測(cè)試方法的研究較少。

1.3 射彈沖擊法

此種測(cè)試方法適用于板式混凝土的抗沖擊性能測(cè)試，屬于高速率沖擊試驗(yàn)方法。試驗(yàn)中，并以氮?dú)狻⒑夂蜌錃獾雀邏簹怏w做驅(qū)動(dòng)彈射子彈，使其以高速率沖擊混凝土板，通過(guò)子彈碰撞板體時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力，采集應(yīng)力波形成的波形信息判斷動(dòng)態(tài)性能。這種試驗(yàn)方法裝置簡(jiǎn)單，應(yīng)用靈活，但在高速率沖擊下，試件破壞時(shí)產(chǎn)生崩碎和散濺，存在風(fēng)險(xiǎn)和危險(xiǎn)性。

1.4落錘沖擊法

大多關(guān)于混凝土抗沖擊性能的研究利用落錘沖擊試驗(yàn)方法，通過(guò)記錄初裂沖擊壽命和破壞沖擊壽命值的大小評(píng)價(jià)抗沖擊性能，落錘沖擊法設(shè)備簡(jiǎn)單、容易操作，成本相對(duì)較低，得到廣泛的使用。研究也將基于落錘沖擊試驗(yàn)的基本原理，對(duì)混凝土動(dòng)態(tài)抗沖擊性能試驗(yàn)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 改善組分選擇

在水泥基組分中引入各種非傳統(tǒng)組分來(lái)改善混凝土的抗沖擊性能。目前，引入的組分大體可分為吸能顆粒和纖維材料兩大類(lèi)。

2.1 吸能顆粒

影響抗沖擊性能的主要因素是材料的吸能及耗能能力，由于混凝土材料本身的吸能能力十分有限，通常采用摻入一定比例的吸能顆粒組分的方法來(lái)提高其吸能能力，進(jìn)而優(yōu)化其抗沖擊性能。常用的吸能顆粒材料有橡膠顆粒、發(fā)泡聚苯乙烯（EPS）、空心鋁球等。

橡膠顆粒是最常見(jiàn)的顆粒吸能材料，研究表明摻入一定量的橡膠顆粒能明顯提高混凝土的抗沖擊能力[3～4]。通過(guò)鋼球沖擊試件前后的勢(shì)能變化作為能量吸收值來(lái)衡量混凝土的抗沖擊性能，結(jié)果表明橡膠顆粒的摻入能夠增加混凝土的彈性，進(jìn)而提高混凝土在沖擊荷載作用下的吸能能力。

除橡膠顆粒外，采用聚苯乙烯泡沫（EPS）顆粒也可以改善混凝土的抗沖擊性能，由于EPS顆粒在混凝土中的置換效應(yīng)和空間效應(yīng)，EPS能顯著提高混凝土的沖擊韌性，當(dāng)摻入適量EPS顆粒后，混凝土能夠獲得最佳的抗沖擊韌性。同時(shí)，對(duì)比柔性的EPS顆粒和硬質(zhì)空心鋁球?qū)炷量箾_擊性能的作用效果，并且EPS效果更佳，表明柔性顆粒對(duì)改善混凝土抗沖擊性能的效果更顯著。

但是，由于吸能顆粒與混凝土其他組分相比具有較低的彈性模量，將其代替混凝土傳統(tǒng)組分后，會(huì)導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度的下降。因此，為保證必要的混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，吸能顆粒在在混凝土中摻配比例需試驗(yàn)得到，且有最大摻量限制。通過(guò)引入吸能顆粒組分來(lái)改善水泥混凝土抗沖擊性能時(shí)，一定要綜合考慮其對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低帶來(lái)的不利影響。

2.2 纖維材料

由于吸能顆粒在改善混凝土抗沖擊性能的同時(shí)會(huì)引起其強(qiáng)度的一定損失，為使在優(yōu)化混凝土抗沖擊性能的同時(shí)不顯著降低其力學(xué)強(qiáng)度，纖維類(lèi)材料可作為理想的改善組分材料，常用于混凝土中的纖維類(lèi)增強(qiáng)材料包括聚丙烯纖維（PPF），聚乙烯醇纖維（PVAF），玄武巖纖維（BF）、鋼纖維（SF）等。

纖維材料摻入混凝土后能夠有效提高混凝土的抗沖擊性能，并能夠保證其力學(xué)強(qiáng)度。其對(duì)混凝土抗沖擊性能的影響與材料本身的物理力學(xué)性能、纖維形狀、摻量、分散效果及與水泥石間粘結(jié)強(qiáng)度相關(guān)。

纖維材料能夠改善混凝土抗沖擊性能根本原因在于纖維對(duì)沖擊荷載作用下裂縫的擴(kuò)展有抑制的作用。當(dāng)受到?jīng)_擊荷載后，在纖維和水泥基體間出現(xiàn)微裂縫擴(kuò)展，根據(jù)纖維間距理論，均勻分布的纖維能夠連接裂縫上下尖端，并將尖端應(yīng)力擴(kuò)散傳遞到周?chē)乃嗷w中。這種橋接作用能夠使裂縫尖端的應(yīng)力場(chǎng)重新分布，從而弱化應(yīng)力集中現(xiàn)象的作用，延緩裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展[5]。另外，當(dāng)裂縫纖維和水泥基體粘結(jié)低于裂縫尖端應(yīng)力時(shí)，纖維會(huì)被拉斷或拔出，這一過(guò)程中，也會(huì)消耗大部分的沖擊能力。隨著應(yīng)變進(jìn)一步增大試件迅速變形，會(huì)同時(shí)出現(xiàn)多處微裂縫發(fā)展，因此更多的纖維隨著沖擊加載過(guò)程被拔出和拉斷，而消耗更多的能量。這也使得相同沖擊能量下，纖維混凝土的損傷程度會(huì)顯著低于未添加纖維的傳統(tǒng)混凝土。為充分發(fā)揮不同纖維材料的優(yōu)勢(shì)，也可采用在混凝土中摻加兩種或多種混雜纖維，通過(guò)將物理力學(xué)性能或纖維形狀差異較大的不同纖維共同作用，發(fā)揮各自特點(diǎn)，彌補(bǔ)相互的不足，協(xié)同作用來(lái)進(jìn)一步提高其抗沖擊性能。

需要注意的是，纖維材料摻入混凝土基體中的分散程度是保證其能夠發(fā)揮作用的前提條件，因此需要保證纖維材料在基體中能夠均勻隨機(jī)分布。但試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)如果纖維摻量過(guò)大，超過(guò)其最佳摻量后，纖維在基體中容易出現(xiàn)聚團(tuán)的現(xiàn)象，導(dǎo)致抗沖擊效果的弱化，對(duì)于低流動(dòng)性的混凝土尤為明顯，因此需要控制摻量和保證拌合中的均勻分散[6]。同時(shí)，纖維改善混凝土抗沖擊性能效果受纖維與水泥基體間粘結(jié)力的影響很大，如果粘結(jié)力過(guò)差，在沖擊荷載作用下纖維會(huì)很容易被拔出，從而失去持荷和吸能能力，影響其對(duì)混凝土抗沖擊性能的提高效果。

2.3 瀝青路面再生骨料

瀝青路面材料作為我國(guó)道路路面面層的主要鋪筑材料，廣泛用于城市道路和公路建設(shè)。隨著道路使用年限的增長(zhǎng)，瀝青路面結(jié)構(gòu)為提高其服務(wù)性能需要進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修，路面面層銑刨后會(huì)產(chǎn)生大量的瀝青固體廢棄物，如果能夠充分利用這些固體廢棄物，不僅可以節(jié)約大量材料資源和成本投入，同時(shí)有效避免環(huán)境的污染，實(shí)現(xiàn)循環(huán)發(fā)展模式和可持續(xù)發(fā)展。

不同粒徑的瀝青再生骨料中含有不同瀝青含量，如表1所示。

利用瀝青路面再生骨料作為改組成分，可以利用柔性瀝青組分吸收沖擊荷載能量，減少?zèng)_擊對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的影響，減緩裂縫擴(kuò)展并連通。同時(shí)，利用瀝青路面再生骨料制備“綠色”水泥混凝土，從社會(huì)和環(huán)境效益方面，符合建設(shè)生態(tài)文明社會(huì)的號(hào)召，同時(shí)將道路工程中的固體廢棄物進(jìn)行綜合利用，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益[7]。

研究基于瀝青路面再生骨料的組成特點(diǎn)，將瀝青路面再生骨料舊料摻入水泥混凝土中，旨在于提升自密實(shí)混凝土抗沖擊性能。

3 設(shè)計(jì)方法

在改善水泥混凝土抗沖擊性能的基礎(chǔ)上，綜合考慮瀝青路面再生骨料對(duì)水泥混凝土的工作性能、力學(xué)性能、和經(jīng)濟(jì)環(huán)保性能，采用等摻量代替理論，制定高抗沖擊“綠色”水泥混凝土的設(shè)計(jì)方法。

3.1 原材料

根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3650 2020）對(duì)混凝土原材料規(guī)定進(jìn)行選擇。

水泥：水選用收縮性小耐磨性強(qiáng)、抗凍性好、含堿量低的強(qiáng)度等級(jí)為P.O 42.5R普通硅酸水泥。

粗集料：采用質(zhì)地堅(jiān)硬、潔凈干燥、級(jí)配合理且吸水性小的碎石，碎石粒徑小于16mm;

細(xì)集料：采用級(jí)配良好、質(zhì)地堅(jiān)硬、潔凈干燥的普通河砂，中砂;

瀝青路面再生骨料：粒徑為5-10mm連續(xù)級(jí)配的再生骨料;

減水劑：聚羧酸型高效減水劑;

水：可飲用水。

3.2 配合比設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方法

綜合考慮《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D40-2011）和《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ 55-2011）進(jìn)行混凝土基準(zhǔn)配合比設(shè)計(jì)，配合比計(jì)算采用質(zhì)量比，通過(guò)計(jì)算和適配確定。保持其他組分不變，用瀝青路面再生骨料按40%、60%、80%和100%等質(zhì)量代替碎石，各組配合比如表2所示。

采用不同再生骨料摻量代替碎石得到的配合比進(jìn)行拌合、試件制作和養(yǎng)護(hù)，并進(jìn)行相關(guān)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如圖1所示。以不同摻配比的再生骨料水泥混凝土試件進(jìn)行落錘沖擊試驗(yàn)，以得到的應(yīng)力應(yīng)變曲線特征指標(biāo)參數(shù)評(píng)價(jià)沖擊性能。在此基礎(chǔ)上，綜合考慮再生骨料對(duì)水泥混凝土的工作性能、力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)環(huán)保性能，評(píng)價(jià)再生骨料綠色水泥混凝土的工程價(jià)值。

4 結(jié)論

針對(duì)水泥混凝土在沖擊荷載的作用下，結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生沖擊破壞的特點(diǎn)，采用瀝青路面再生骨料替代傳統(tǒng)水泥混凝土中粗骨料制備“綠色”水泥混凝土，利用再生骨料表面所包裹柔性瀝青的吸能作用抵抗沖擊荷載，旨在于提升自密實(shí)混凝土抗沖擊能力。

（1）常用的可以提高混凝土抗沖擊性能代替組分，包括吸能顆粒類(lèi)和纖維類(lèi)，分析其作用機(jī)理和組分引入對(duì)抗沖擊性能的的改善效果，并選擇瀝青路面再生骨料作為改善組分以提高混凝土抗沖擊性能。

（2）在基準(zhǔn)配合比基礎(chǔ)上，采用粒徑5～10mm連續(xù)級(jí)配的再生骨料按40%、60%、80%和100%等質(zhì)量代替碎石進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，制定摻配再生骨料綠色水泥混凝土試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。

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基金項(xiàng)目：沈陽(yáng)城市建設(shè)學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目

作者簡(jiǎn)介：汪浩（2000-），男，漢族，籍貫：安徽省合肥市，學(xué)歷：本科生

通訊作者：張景怡（1988-），女，滿(mǎn)族，籍貫：遼寧省綏中縣，研究生，工程師，工作單位：沈陽(yáng)城市建設(shè)學(xué)院， 研究方向：道路工程

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